牛心堆在曼頭山東南方向，湟水和黃河中間的位置，距曼頭城近兩百里，因附近一條河流名牛心川而得名。
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從牛心堆到曼頭山間，地勢還算平坦，但牛心堆面對鄯州方向，有高大的拉脊山聳立著，此是吐谷渾人抵禦唐軍攻擊的一道天然屏障，吐谷渾人在此築有軍營，在拉脊山各險要山口地段派駐不少的士兵據守，並修築有城堡箭跺等防禦工事。
以吐谷渾人的估計，唐軍會沿著湟水先攻擊庫山，或者越過拉脊山向牛心堆一線進攻，因此慕容伏允在這兩地集結了大量精銳的軍隊駐守。
牛心堆因從地理位置上更接近鄯州，兵力配置也是很多，三萬多人的吐谷渾大軍聚集在這一帶。
出乎吐谷渾人的意外，唐軍用極快的速度攻佔庫山，面對放火燒燬牧草的舉動，沒有停留，即快速南下，以精銳的騎兵擊潰曼頭山的守軍，並迅速佔領，唐軍的主力部隊也是隨後跟進抵達，抄了牛心堆吐谷渾人的後路。
牛心堆以南，是水流湍急的黃河，東北面是高大雄偉的拉脊山，唐軍的快速攻擊，截斷了牛心堆吐谷渾人向西逃的退路。
在李業詡所部攻佔曼頭山後不久，薛萬徹和薛萬均兄弟即率部抵達這裡，傍晚時分，李靖率領其餘各部也抵達曼頭山。
為了不讓牛心堆之吐谷渾人西逃，李靖所部都是輕裝急行軍而來。
在結束曼頭山戰役後，李業詡命令所部抓緊時間休整，為接下來的聚殲牛心堆之敵做準備。
特衛及契苾何力部，高強度的急行軍及衝殺下來，已經沒有體力繼續追擊逃跑的慕容伏允，李業詡只得放棄追蹤其部的誘人想法。南面和西面有段志玄和李大亮部的攔截，慕容伏允的殘部也是沒這麼容易逃脫的。
牛心堆的吐谷渾人探知唐軍攻擊曼頭山後，馬上傾巢出動，想趁唐軍立足未穩之時，集中優勢兵力消滅疲乏的唐軍，並趁機西逃。庫山和曼頭山兩地的慘敗，已經讓知道消息的牛心堆吐谷渾人心驚膽戰，指揮的幾名名王明白，若他們無法趁這個機會逃跑，下場會和庫山曼頭山的族人一樣悲慘。
只是吐谷渾人得到的情報還是慢了好幾拍，其大部隊還未行進到一半路程，李靖所率的大軍也已經抵達這一帶，等著吐谷渾人。
從牛心堆出發的吐谷渾人在偵知唐軍的行蹤後，馬上停下了行進的腳步，不知是否是吐谷渾人怕中了唐軍伏擊，率部回縮，背倚著幾處山坡前停了下來。
李靖所部快速推進，在離吐谷渾人三十里地左右停了下來，安營休整，並不急著進攻。
一個夜晚，唐軍不斷地派出小股的騎兵襲擾吐谷渾人，而大部隊則輪流休息。面對不斷襲擾的唐軍小股部隊，吐谷渾人整個晚上都是處於高度緊張中，又不敢趁夜進擊，待第二天天明後，才又緩緩地向前推進，準備與唐軍決一死戰。
面對沒有退路的牛心堆吐谷渾之敵，李靖和所部的唐軍將領都知道，這將會是一場惡戰。
雙方人數基本相當，三萬多吐谷渾人全部是騎兵，唐軍所部也是三余萬人，但只有約兩萬的騎兵，且還是遠道急行軍而來，體力上處於劣勢，占騎兵人數三分之一的李業詡部和契苾何力部剛剛結束曼頭山之戰，疲乏之極，極需休整。
但有一點吐谷渾人無法比及的是，唐軍連續幾場大戰的勝利，士氣高漲，而吐谷渾人被唐軍圍截，又聞知連續幾場敗戰，人心惶惶，士氣低落。
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夜晚的李靖大帳內，還是燈火通明，李靖正召集諸將進行著戰前的緊急軍情商議，修正一些原先的佈署。
曼頭山的吐谷渾人已經被擊潰，慕容伏允西逃，但這不是李靖最關心的事，段志玄部和李大亮部，會在遠處等著潰逃的慕容伏允的。眼下最重要的，是消滅牛心堆的三萬餘吐谷渾人。
待一番密議後，諸將紛紛領命而去。
李靖只留下李業詡和契苾何力，「此戰是一場正面對決的硬戰，總體兵力上來講，我們沒有絲毫優勢，勝負的關鍵就在於你們兩部的突襲，你們可明白？」
「末將明白，」李業詡和契苾何力用力吼了一聲，領命而去。
軍情過於緊急，李業詡部和契苾何力部只得到了短暫的休整，即要去執行更加艱巨的任務。
第二天天色未明時，李業詡所部和契苾何力部，即在幾名熟悉這地方地形的特戰隊員帶領下，出營而去。
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草原上的清晨，飄蕩著一些霧氣。
這是一片寬闊的草場地，風景秀美，因為幾條河流的分割，那場綿延幾百里的大火並沒燒到這兒。
但此時的草場，卻充滿了殺戮之氣，兩支幾萬人的大軍，即將在這兒進行廝殺。
兩支隊伍在相距約三里地都停了下來，擺開陣型，各自做好攻擊和迎敵的準備。
唐軍官兵此戰最重要的任務是阻止吐谷渾人拚死的衝擊，並全殲所面對的吐谷渾人。
在李靖的安排下，唐軍已經做好了迎敵的準備。
以步兵置於中軍，最前排的是手持盾牌護衛的步兵，後面是步兵中的弩弓手約一千五人，分成三排，再後面的是弓箭手，約四千人，也是成三隊排列，最後還有三千左右手持長槍的步兵。
因為是快速行進的作戰，軍中並沒配置重甲的陌刀手。
這些步兵後側兩翼，是一萬五千名騎兵，左側是由薛萬徹領軍的約五千名漢軍士兵及兩千執失思力部的突厥騎兵，右側由執失思力親率，人數約四千的突厥騎兵，還有薛萬均所領的約四千漢軍騎兵。
弩弓的有效射程約三百步以上，在吐谷渾人開始衝鋒到這個距離時，開始第一輪打擊，有幸運地躲過此輪射擊的吐谷渾人，迎接他們的將是更加密集的弓箭手射出的箭，弓箭的射程約七十到一百步。兩輪打擊後，兩側的騎兵將開始衝擊。唐軍如此的配置，並沒有打算讓步兵去抵擋吐谷渾的騎兵衝擊，而是要用一場大的對戰，徹底消滅正前方的吐谷渾人。
這樣的戰爭佈置，並不是李靖所希望看到的，這些也並不構成最後的勝利，李靖寄希望的還是另外的一支奇兵。
也許是吐谷渾人對於唐軍在庫山和曼頭山所取得的勝利有些忌憚，待唐軍佈陣好了，遲遲沒有發動衝擊。只是不斷地有一群群人馬在哪裡跑來跑去。
李靖手舉望遠鏡，察看著吐谷渾人的動靜。
接近中午的太陽有些火辣，照得人有些睜不開眼。
望遠鏡裡，吐谷渾人開始有了動靜，大群的騎兵集結在正面，陣勢很寬。
沒有了退路，吐谷渾人只能玩命一次，寄希望於衝開前方唐軍的陣形，給予唐軍有效的打擊後，全軍或者大部分軍力得以逃脫，進了他們異常熟悉的青海湖南岸的那片草原。
這個河湟谷地較平坦的地方，擺開陣型的雙方軍隊劍拔弩張，投入最多兵力的一場戰役即將打響。
吐谷渾人手中的刀和槍開始舉起來，在陽光的照映下閃著耀眼的光芒，接著腳下的大地開始慢慢地顫抖起來，吐谷渾騎兵開始奔跑、加速。
隨著李靖的命令下達，陣前手持盾牌的士兵蹲下，後排手持弩弓的士兵上前一步，把手中的弩弓舉向天空。
整個大地都感覺在振動著，第一批開始攻擊的約六千名吐谷渾騎兵已經把速度提了起來，以箭形開始衝擊，往正面的唐軍步兵而來，後面第二批騎兵也開始啟動。
距離最前面的騎兵約五百步，隨著李靖身旁親衛手中令旗的揮舞，前方弩弓隊的指揮官口型張大，「放…」
隨著「嗖嗖」的聲音，幾百支強弩箭從唐軍陣中射出，射向天空，形成一個拋物線後向下掉落。而發射完的唐軍弩兵馬上退下，裝填弩箭，後面一組的弩弓手快速上前，依然舉起手中的弩弓，又是一陣箭雨。
隨著箭雨的落下，最前面那些奔跑中的吐谷渾人不斷地倒下，這弩的射程和射勁不是一般的厲害，一些箭從前面奔跑著的人身上透過，再射到後面奔跑著的人或者馬上，許多吐谷渾人連人帶馬被射倒，倒下的人馬上被後面奔跑著的戰馬踩踏，也有許多的騎兵連人帶馬被跘倒在地。
第三組的唐軍弩兵射擊完退下時，第一批弩手已經把再次裝填好的箭射出，接著第二第三批弩手也把裝填好的箭射出。
大批的吐谷渾人被射倒，一些沒有死亡的士兵被後面飛奔而來的戰馬踩死，但更多的吐谷渾人還是拚命地往前衝，並加強兩翼的衝擊。他們知道，若衝到唐軍陣前，讓他們心寒的弓箭才發揮不出威力來。
已經完成使命的弩手們全部有序地退下，後排的弓箭手們上前，把手中的弓拉滿，箭尖對著天空。兩側的騎兵也做好了出擊的準備!
隨著尖利的哨響，更加密集的箭矢射向天空，往衝到二百步左右的吐谷渾騎兵群中射擊…
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